[发明专利]轨道交通车车通信中通信模式选择与资源分配方法

权利要求书

1.一种轨道交通车车通信中通信模式选择与资源分配方法，其特征在于，包括：

步骤一，构建轨道交通无线通信网络中的车车通信系统模型，其中，基站沿轨道线性分布，所述车车通信系统模型中有V＝{1，2，…，M}个T2G通信用户，D＝{1，2，…，N}个T2T通信用户，V个T2G通信用户在蜂窝网络中使用K个独立的正交信道资源，在所述车车通信系统模型中，使用列车x₀的初始位置作为坐标原点，列车x₀自左向右以速度v在基站覆盖范围内行驶，第n辆列车和基站之间的距离表示为：

式中，x代表基站的横坐标，y代表基站的纵坐标，L代表相邻列车之间的距离，h_bs和h_tra分别代表基站处的天线高度和列车上的天线高度；

列车i和基站之间的信道增益g_i，B表示为：

式中，G代表路径损耗常数，β_i，B代表对数正态阴影衰落随机变量，ξ_i，B是小规模快速衰落功率分量，α是路径损耗指数，B表示基站；

步骤二，计算不同通信模式下列车的信噪比，其中，在T2G通信模式下，列车通过基站进行通信，T2G用户j的信噪比ξ_j，B的计算公式为：

式中，表示在T2G通信模式下用户j的发射功率，g_j，B表示列车j与基站间的信道增益，表示高斯白噪声的噪声功率；

在T2T通信模式下，T2T通信用户j的信干噪比ξ_j的计算公式为：

T2G通信用户i的信噪比ξ_i的计算公式为：

式中，g_j表示相邻T2T用户的信道增益，x_i，j表示信道复用指示变量，

P_i^c表示在T2T通信模式下T2G用户i的发射功率，表示在T2T通信模式下T2T用户j的发射功率，g_i，j表示列车i与列车j之间的信道增益，g_j，B表示列车j与基站之间的信道增益；

步骤三，利用步骤二计算的信噪比计算系统信道容量，并将最大化系统容量设置为优化目标，构建车车通信系统中联合通信模式选择与资源分配的优化模型，其中，在该优化模型中，保证T2T通信用户的信干噪比的条件下，为每个T2T通信用户分配信道资源，X_K是模式选择的指示矩阵，

x_k＝[X₁，X₂，…，X_k，…，X_K]，由模式选择算法确定，如果T2T通信用户满足信干噪比要求，则可获得信息传输所需的信道资源，定义X_K＝1，如果T2T通信用户不满足信干噪比要求，则定义X_K＝0，x_i，j为信道资源复用指示变量，代表T2G通信用户i的信道资源被T2T通信用户j复用，如果信道被复用，则x_i，j＝1，否则x_i，j＝0，然后，通过优化用户的发射功率来最大化系统信道容量；

步骤四，根据步骤三构建的优化模型，设置模式选择与资源分配算法，在模式选择算法中，根据不同通信模式的信道容量关系获得模式选择矩阵，并通过该矩阵，使列车自适应地选择通信模式，在确定列车的通信模式后，使用资源分配算法为列车分配信道资源；

步骤三中，通过优化用户的发射功率来最大化系统信道容量，其信道容量优化公式表示：

max{x_kC1+(1-x_k)C2}

约束条件1∶1≤k≤K

约束条件2：

约束条件3：

约束条件4：

约束条件5：

约束条件6：

约束条件7：

其中，C1表示T2G通信的信道容量，C2表示T2T通信的信道容量，在上述约束条件中，K表示正交信道资源的数量，k表示第k个正交信道资源，约束条件3表示T2G通信用户信道资源只能被T2T通信用户复用一次，ξ_i，min表示T2G通信用户i的最低信噪比要求，ξ_j，min表示T2T通信用户j的最低信干噪比要求，表示T2G通信模式下所有用户的最大发射功率，表示T2T通信模式下所有用户的最大发射功率；

步骤四具体包括：

步骤4.1，模式选择算法

不同通信模式下列车的发射功率都等于其最大值，T2G通信模式的信噪比和T2T通信模式的信干噪比都满足用户服务质量要求，根据模式选择算法为每种通信模式分配信道资源进行信息传输；

通过模式选择算法，得到模式选择矩阵，通过模式选择矩阵和信道容量优化公式，实现自适应模式选择，并将信道容量优化公式分解为两个子公式，第一个子公式表示为：

约束条件1∶1≤k≤K

约束条件2：ξ_j，B≥ξ_j，min

约束条件3：

当系统满足上述模式选择条件时，将信道资源分配给目标列车，并采用T2G通信模式；

第二子公式表示为：

约束条件1：

约束条件2：

约束条件3：

约束条件4：

当系统满足上述模式选择条件时，将信道资源分配给目标列车，并采用T2T通信模式；

步骤4.2，最优功率分配算法

采用拉格朗日对偶方法，第一子公式的拉格朗日函数表示为：

其中，λ表示拉格朗日乘子，λ_j表示功率对应的拉格朗日乘子，μ_j表示信噪比ξ_j，B对应的拉格朗日乘子；

C1对应的对偶函数g(λ，μ)表示为：

C1对应的带约束条件的拉格朗日对偶函数G(λ，μ)表示为：

通过使用卡罗需-库恩-塔克条件获得第一子公式和C1对应的带约束条件的拉格朗日对偶函数的最优解，设第一子公式的最优解为C1对应的带约束条件的拉格朗日对偶函数的最优解为λ^*和μ^*，则对应的卡罗需-库恩-塔克条件表示为：

μ^*(ξ_j，B-ξ_j，min)＝0

根据卡罗需-库恩-塔克条件，最优功率表示为：

然后，通过一维线性搜索法获得最优功率集合：

式中，t_k是搜索步长，是梯度下降方向；

在T2G通信用户满足最小信噪比要求前提下，T2T通信用户复用T2G通信用户信道资源，此时，T2G通信用户的功率表示为：

由此得到T2G通信用户的最优发射功率为：

将T2G通信的最优发射功率引入第二子公式中，此时，第二子公式转换为：

式中，

此时，第二子公式对应的拉格朗日函数表示为：

其中，λ_j表示功率对应的拉格朗日乘子，μ_j表示信噪比ξ_j，B对应的拉格朗日乘子，η_j表示信道复用指示变量对应的拉格朗日乘子；

C2对应的对偶函数g(λ，μ，η)表示为：

C2对应的带约束条件的拉格朗日对偶函数G(λ，μ，η)表示为：

此时，T2T通信用户的最优发射功率表示为：

式中，

然后，对实际信道资源进行分配，取拉格朗日函数式对x_i，j的偏导数，代入最优发射功率得：

式中，H_i，j为中间变量；

根据卡罗需-库恩-塔克条件，信道复用因子表示为：